中国科技大学人工合成金刚石研究取得重大突破


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    8月3日,国际化学界权威学术刊物《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)发表了我校化学与材料科学学院陈乾旺教授领导的研究组的论文“低温还原二氧化碳(CO2)合成金刚石”。论文介绍了他们在人工合成金刚石(即钻石)方面取得的重大突破——在440℃的低温条件下以CO2为碳源成功地合成了250微米的大尺寸金刚石,首次实现了从CO2到金刚石的逆转变,在国际学术界引起极大反响。英国独立报、香港太阳报、台湾以及意大利、法国、德国等各大传媒纷纷对此进行了积极的报道,评价其为“废气中产生的宝石思想”、“从温室气体中收获钻石”、“金刚石来源于稀薄空气”。

    金刚石是一种稀有的天然材料,除作为昂贵的宝石饰品外,还可广泛应用于热阱、绝缘和窗口材料、研磨材料、切削材料以及其他电子和工程领域。由于它非常昂贵、难得,极大地限制了它的应用。自1792年以来,人类在金刚石人工合成方面经历了长达一个多世纪的不懈努力,然而有些工艺由于产品尺寸小、重复性低等原因,一直没有形成产业。直到1955年,人们才第一次用高温高压法(1400℃,5~10万大气压)合成了金刚石,目前,该方法是合成工业金刚石的主要方法。但该工艺压力高、设备复杂、成本高,尤其是产品的颜色差,较难成为宝石金刚石,因此始终未能挑战天然宝石产业。

    陈乾旺教授和他的同事及研究生们经过不断创新和摸索后认为:地球里有大量的CO2和碳酸盐,并且地球内的气氛是还原性的,天然金刚石很有可能来源于CO2。他们自己研制高压反应釜进行实验,用安全无毒的二氧化碳作原料,使用金属钠作为还原剂,在440℃和800个大气压的条件下,经过12小时的化学反应,终于成功地将CO2 还原成了金刚石。目前,已能生长出1.2毫米的金刚石,有望达到宝石级。

    陈教授介绍说,CO2转化金刚石的产率达8.9%,在显微镜下,人们可清晰地看到所生成的美丽晶体,甚至用肉眼也能看到闪烁的小颗粒。X-射线衍射及拉曼光谱的结果都证实:这些晶粒就是金刚石,它外观无色、透明,可与天然金刚石媲美。据介绍,该工艺重复性很好,用其它碳源和还原剂也取得了成功,有关结果日前已申请国际专利。该成果必将对天然金刚石的开采业带来极大的挑战。

    陈乾旺教授,2000年经钱逸泰院士推荐,入选中国科学院“百人计划”;2001年成为国家杰出青年基金获得者;2002年被聘为教育部“长江学者奖励计划”第五批特聘教授。
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